用于深度感测的集成IR和可见光相机的光学元件以及包括该光学元件的系统技术方案

一种多光谱光学成像设备，包括：被配置为在第一状态和第二状态之间切换的可切换元件，第一状态和第二状态中的一者改变光的偏振；以及被布置为从可切换元件接收光的几何相位元件。几何相位元件被配置为响应于可切换元件的第一状态，基于偏振衍射光的第一波段以改变光的第一波段的传播方向，而基本上不改变光的第二波段的传播方向。还讨论了相关的光学快门和多光谱光学检测器。多光谱光学检测器。多光谱光学检测器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于深度感测的集成IR和可见光相机的光学元件以及包括该光学元件的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年2月12日在美国专利和商标局提交的临时专利申请号62/975，692和62/975，685的优先权，其公开内容以其整体并入本文作为参考。

技术介绍

[0003]一些增强现实(AR)系统可以采用多个光学传感器，包括但不限于头部跟踪相机，深度传感器，照片
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视频相机和眼睛跟踪传感器。然而，这种不同的光学传感器的使用可能导致高的成本、复杂性、质量、体积和功耗。例如，由于每个传感器可能需要其自己的电路和到计算机的接口，所以系统复杂性可能很高。
[0004]多光谱成像传感器，也称为像素化数字相机，可以为不同波长分配单独的像素，例如常规数字相机中的滤色器马赛克，其中波段通常包括用于可见光摄影和视频的红，绿和蓝滤色器。另外，一些相机可以将像素分配给红外(IR)波长。其中许多采用IR像素用于三维(3D)深度感测。
[0005]一些成像传感器系统采用主动IR照明。采用主动照明的3D传感器的类别可以包括飞行时间传感器(诸如在光检测和测距(LIDAR)中使用的)和结构化光传感器(structured
‑
light sensor)。在一些情况下，主动IR照明可与适于可见光成像的传感器组合。例如，宽带多光谱传感器(诸如CMOS相机)可以与IR照明和像素级信号处理的序列高强度脉冲一起并入，使得可以确定对象或场景的二维(2D)图像和3D深度。一些系统可以组合覆盖在3D深度图上的被动成像。
[0006]在一些主动IR照明应用中，宽带多光谱传感器可以与以交替方式按顺序地阻挡可见光然后阻挡IR光的电动切换快门组合。在一个示例中，可切换设备可以包括液晶(LC)单元和两个线性偏振器，其中偏振器或LC开关是波长相关的。在另一示例中，可切换元件可以是可切换布拉格光栅(SBG)，其也称为分布式布拉格反射器，并且可以使用全息聚合物分散液晶形成。在又一示例中，可切换设备可以包括一个或多个可切换胆甾型LC反射偏振器。
[0007]多个传感器的质量也是重要的，特别是在每个传感器包括各自的透镜和相关的机械接口，外壳和电线的情况下。这些传感器的合成体积也可能是重要的，例如，这可能限制针对AR眼镜的眼镜形状因数的使用。

技术实现思路

[0008]根据本公开的一些实施例，一种成像系统包括一个或多个光学元件，该光学元件包括至少一个可切换元件或层和至少一个衍射元件或层，该至少一个可切换元件或层和至少一个衍射元件或层被配置为选择性地改变指定工作波长内的光(例如，可见光谱外的光，诸如IR或UV光)的传播方向，而基本上不影响指定工作波长外的光(例如，可见光谱内的光)的传播方向，指定工作波长外的光在本文中也被称为波段。
[0009]衍射层可以是波长和偏振选择性的，并且可以被配置为改变在指定工作波长内的
入射光的偏振方向和传播方向两者。例如，(多个)衍射层可以被配置为透射在一个波长范围或波段内的光(例如，具有波长在大约400nm和大约700nm之间的可见光谱内的光)而不改变其偏振或传播方向，但是可以被配置为改变在另一波长范围或波段内的光(例如，可见光谱外的光)的偏振和传播方向，反之亦然。
[0010]可切换层可以在不同地影响入射到其上的光的偏振的状态之间独立地切换(响应于所施加的电信号)。例如，在一些实施例中，可切换层可以在基本上不改变光的偏振的第一状态(例如，“关断”状态)和改变光的偏振(例如，到正交偏振状态)的第二状态(例如，“接通”状态)之间切换。
[0011]在一些实施例中，衍射层可以被配置为响应于可切换层的状态引导可见光谱之外的光朝向或远离图像传感器。例如，衍射层可以包括一个或多个反射光栅，其被配置为在远离图像传感器的一个或多个方向上衍射可见光谱之外的光，并且在一些情况下远离成像系统的光学元件。因此，一些实施例可以被配置为将指定工作波长内的光引导到期望的方向，而不在光学元件的输出处使用附加的滤波(例如，角度滤波)和/或延迟层。
[0012]在一些实施例中，(多个)可切换层可以不完全从一个偏振状态切换到正交状态，并且因此可以用于调制穿过其中的指定工作波长内的光。即，(多个)可切换层可以包括关于在指定工作波长内对入射光的偏振的影响的中间状态(在“关断”和“接通”状态之间)。
[0013]在一些实施例中，(多个)可切换层和/或(多个)衍射层可以包括双折射材料或层，例如(但不限于)液晶(LC)层。(多个)可切换层可以包括双折射液晶层，其响应于施加到其上的电压可以在零延迟和半波延迟(或其它延迟)之间电动切换。在一些实施例中，如本文描述的GP元件可以包括几何相位表面或可能不是由液晶材料制成的元件，诸如电介质或等离子体元表面。
[0014]在一些实施例中，衍射层可以包括一个或多个几何相位(GP)元件，诸如几何相位全息图(GPH)和/或偏振光栅(PG)。(多个)衍射层可以极化指定工作波长内的入射光偏振并将其衍射到具有不同偏振态和/或不同传播方向的至少两个光束(例如，零级输出光和一级输出光)，而基本上不吸收任何一个偏振态。例如，(多个)衍射层可以提供分束器，该分束器被配置为透射在指定工作波长内的光的第一偏振，并且被配置为反射在指定工作波长内的光的第二不同的偏振，反之亦然。第一偏振和第二偏振可以分别包括可见光谱之外的光的右旋圆偏振和左旋圆偏振。
[0015]在一些实施例中，(多个)衍射层可以包括第一衍射层，该第一衍射层被布置和配置为将指定工作波长内的入射光在远离图像传感器的方向上衍射到一级光束，并且衍射到零级光束，用于输入到可切换层。第二衍射层可以被布置和配置为响应于可切换层的状态衍射从可切换层输出的光束远离图像传感器。
[0016]在一些实施例中，(多个)衍射层可以包括一个或多个布拉格区偏振光栅(Bragg PG或BPG)。在一些实施例中，衍射级可以是近似圆偏振的，具有相反旋向性，而与输入偏振状态无关。
[0017]在一些实施例中，一对或多对衍射层和可切换层可以被包括在光学元件中以增加成像系统的有效视场。
[0018]在一些实施例中，延迟器和/或偏振器可以可选地添加在衍射层的任一侧，以控制输入偏振状态和输出偏振状态两者。在一些实施例中，入射光可以是非偏振的，但在其他实
施例中，入射光可以是偏振的(例如，由延迟器和/或偏振器)。
[0019]在一些实施例中，可切换层和衍射层可以限定具有单片结构的光学元件。单片光学元件的层可以直接在彼此之上，或者可以在其间包括一个或多个透明层。
[0020]根据本公开的一些实施例，一种多光谱光学成像设备包括：可切换元件，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中第一状态和第二状态中的一者改变光的偏振；以及几何相位元件，被布置为从可切换元件接收光。几何相位元件被配置为响应于可切换元件的第一状态，基于偏振来衍射光的第一波段以改变光的第一波段的传播方向，而基本上不改变光的第二波段的传播方向。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多光谱光学成像设备，包括：可切换元件，被配置为在第一状态和第二状态之间切换，其中所述第一状态和所述第二状态中的一者改变光的偏振；以及几何相位元件，被布置为接收来自所述可切换元件的所述光，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第一状态，衍射所述光的第一波段，以基于所述偏振改变所述光的第一波段的传播方向，而基本上不改变所述光的第二波段的传播方向。2.根据权利要求1所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第二状态，同时透射所述光的所述第一波段和所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第一波段和所述第二波段的传播方向。3.根据权利要求2所述的多光谱光学成像设备，其中，独立于所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态，所述几何相位元件被配置为透射所述光的所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第二波段的偏振和传播方向。4.根据权利要求2所述的多光谱光学成像设备，还包括：至少一个光学元件，被布置为向所述可切换元件提供所述光，使得所述光的所述第一波段包括与第一偏振正交的第二偏振，其中所述几何相位元件被配置为：响应于所述可切换元件的所述第一状态，衍射所述光的所述第一波段的所述第一偏振，以改变所述光的所述第一波段的所述第一偏振的传播方向，并且其中所述几何相位元件被配置为：响应于所述可切换元件的所述第二状态，同时透射所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段，而基本上不改变所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段的传播方向。5.根据权利要求4所述的多光谱光学成像设备，其中：所述几何相位元件是第二几何相位元件；并且所述至少一个光学元件是第一几何相位元件，所述第一几何相位元件被布置为接收包括所述第一波段和所述第二波段的非偏振光，其中所述第一几何相位元件被配置为：将所述第一波段的所述第一偏振衍射远离所述可切换元件，并且同时将所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段透射到所述可切换元件，而基本上不改变所述光的所述第一波段的所述第二偏振和所述第二波段的传播方向。6.根据权利要求5所述的多光谱光学成像设备，其中所述第一几何相位元件和/或所述第二几何相位元件是布拉格偏振光栅。7.根据权利要求6所述的多光谱光学成像设备，其中所述布拉格偏振光栅被配置为将所述第一波段的所述第一偏振衍射到反射一级方向中，并且将所述第一波段的所述第二偏振透射到零级方向中。8.根据权利要求4所述的多光谱光学成像设备，还包括：相机，被布置为接收来自所述几何相位元件的所述光，所述相机包括图像传感器，所述图像传感器被配置为检测所述光的所述第一波段和所述第二波段。9.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述图像传感器被配置为分别响应于所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态捕获第一图像数据和第二图像数据，
并且还包括：信号处理器，被配置为基于所述第一图像数据和所述第二图像数据的减法来计算针对所述光的所述第一波段的图像数据。10.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述图像传感器被配置为：在处于所述第二状态下的所述可切换元件的顺序操作期间分别响应于照明源的激活和去激活而捕获第二图像数据和第三图像数据，其中所述照明源被配置为输出包括所述第一波段的光发射，并且还包括：信号处理器，被配置为基于所述第二图像数据和所述第三图像数据的减法来计算针对所述光的所述第一波段的图像数据。11.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述可切换元件是第一可切换元件，并且所述几何相位元件是第一几何相位元件，并且还包括：第二可切换元件和第二几何相位元件，被布置在所述几何相位元件与所述相机之间，其中所述第二可切换元件被配置为在分别改变和不改变所述光的所述偏振的状态之间切换，并且其中所述第二几何相位元件被配置为分别响应于所述第二可切换元件的状态，在第一方向上朝向所述图像传感器引导所述光的所述第一波段的所述第一偏振以限定第一视场，并且在第二方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第二偏振以限定第二视场。12.根据权利要求8所述的多光谱光学成像设备，其中所述至少一个光学元件包括偏振器以及延迟器，所述偏振器被布置为接收非偏振光，所述延迟器被配置为改变来自所述偏振器的偏振光的偏振以将所述光提供给所述可切换元件。13.根据权利要求12所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件被配置为响应于所述可切换元件的所述第一状态而在第一方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第一偏振以限定第一视场，并且响应于所述可切换元件的所述第二状态而在第二方向上朝向所述图像传感器引导所述第一波段的所述第二偏振以限定第二视场。14.根据权利要求13所述的多光谱光学成像设备，其中所述几何相位元件是第一几何相位元件，并且还包括：照明源，被配置为与所述可切换元件的所述第一状态和所述第二状态同步地输出包括所述第一波段的光发射；以及第二几何相位元件，被布置为接收来自所述照明源的所述光发射，其中所述第二几何相位元件被配置为将所述光发射的所述第一波段的所述第一偏振引导到第一方向上以限定第一照明场，并且将所述光发射的所述第一波段的所述第二偏振引导到第二方向上以限定第二照明场。15.根据权利要求14所述的多光谱光学成像设备，其中：所述第一几何相位元件被布置为接收来自所述可切换元件的第一区域的所述光；所述照明源被布置为向与所述第一区域相邻的所述可切换元件的第二区域提供所述光发射；以及所述第二几何相位元件被布置为接收来自所述可切换元件的所述第二区域的所述光发射。
16.根据权利要求14所述的多光谱光学成像设备，其中所述可切换元件是第一可切换元件，并且还包括：第二可切换元件，所述第二可切换元件被布置为接收来自所述照明源的所述光发射并将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：创新光传输系统公司，
类型：发明
国别省市：